TW201907259A

TW201907259A - 用以供應調節電壓至目標電路之電路及方法

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Publication number: TW201907259A
Application number: TW107101628A
Authority: TW
Inventors: 洪俊雄; 楊尚輯
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2019-02-16
Also published as: TWI652563B; US10496115B2; CN109213247A; EP3425475A1; US20190004552A1; CN109213247B

Abstract

提供一種用以供應調節電壓至目標電路之電路及方法，目標電路特徵在於快速變化之電流負荷。電壓調節器供應調節電壓至輸出端。電流負荷電路連接至電壓調節器之輸出端。邏輯使得電流負荷電路在前負載(pre-loading)期間施加電流負荷至輸出端，前負載期間起始於增加電流負荷之事件之前，在事件之發生時結束。邏輯係包含以使得電流負荷電路在後負載期間施加電流負荷至輸出端，後負載期間起始於降低目標電路之電流負荷之事件發生時。

Description

用以供應調節電壓至目標電路之電路及方法

本發明是有關於電壓調節器，包含使用於具有快速變化負載之積體電路的電壓調節器。

電壓調節器用於積體電路設計中，以提供比外部電源供應更穩定的供應電壓至積體電路。

在具有快速變化之負載的積體電路中，電壓調節器的暫態反應可具有限制的特性(limiting property)。若目標電路的電流性負載(current load)快速地變化，如是以電壓調節器的暫態反應的等級(order)變化，所提供的調節電壓在暫態期間會有突波(spike)、過衝(overshoot)、欠衝(undershoot)、或波動。此些突波或波動會限制目標電路的效能。

舉例來說，在被稱為低壓降(low dropout, LDO)電壓調節器的一類調節器中，電壓調節器包含功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，功率MOSFET連接在外部電源功率器及調節器的輸出端之間。功率MOSFET的閘極係由放大器所驅動，放大器具有回授路徑以維持固定電壓於輸出端上。功率MOSFET可以是非常大的，且具有大的閘極電容。此大閘極電容增加回授路徑的時間常數，且相較於在電子電路中的奈米規格的切換，此大閘極電容使得典型的LDO的暫態響應相對緩慢。如此，在目標電路產生電流負荷(current loading)變化的事件期間，目標電路可能暴露於調節電壓的突波或波動。

一種需求在於提供電壓調節器以適用於積體電路，在目標電路之電流負荷快速變換的期間具有穩定的輸出電壓。

提出一種電路及方法，用以供應調節電壓至目標電路，目標電路特徵在於快速變化之電流負荷。此處所述電路包含：電壓調節器以供應調節電壓至輸出端；電流負荷電路連接至電壓調節器(例如LDO電壓調節器)之輸出端；以及邏輯使得電流負荷電路在前負載(pre-loading)期間施加電流性負載至輸出端，前負載期間起始於該目標電路增加電流負荷之事件之前，在事件之發生時結束。如此，在目標電路之電流負荷快速變化時電流負荷暫態的振幅可被減小，調節電壓的波動可被減小。

在一些實施例中，邏輯係被包含以使得電流負荷電路在後負載期間施加電流負荷至輸出端，後負載期間起始於降低目標電路之電流負荷之事件發生時。

因此，舉例來說，積體電路可包含電路例如狀態機或處理器，處理導致電壓調節器之電流負荷快速增加或降低之具預測性模式變化之邏輯操作。此處所述電路之電流負荷電路可被致能以在前負載期間及在後負載期間提供電流負荷，使得在模式變化之事件發生時電流負荷的暫態係被降低或消除。

電流負荷電路的操作結果，電壓調節器所驅動之輸出電流波形係依照目標電路之模式變化而被重新塑形(reshape)，藉以降低電流負荷暫態的振幅、並有效降低調節電壓的突波及波動。

另提出一種方法，用以供應調整節電壓至目標電路，目標電路特徵在於快速變化之電流負荷。此方法包含：提供調節電壓耦接至至目標電路之輸出端；在前負載期間施加電流性負載至該輸出端，前負載期間起始於增加電流負荷之事件之前，在事件之發生時結束。並且，在一些實施例中，此方法包含在後負載期間施加電流負荷至輸出端，後負載期間起始於降低目標電路之電流負荷之事件發生時並在之後結束。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

本發明詳細實施例將參照第1-4圖提供說明。

第1圖繪示電路20，電路20連接至目標電路12。電路20包含電壓調節器10及預測性負載電路15，電壓調節器10例如是LDO電壓調節器。電路20將電壓調節器10產生的調節電壓VDD_INT作為內部供應電壓並提供在輸出端上傳送至目標電路12。目標電路12包含電流汲取(current sink)13及控制邏輯14。控制邏輯14可提供模式變化訊號C1至電流汲取13，電流汲取13藉由目標電路12產生快速的電流負荷之變化。再者，控制邏輯14可提供訊號C2至預測性負載電路15。雖然如圖所繪示，訊號C2係藉由目標電路12中的邏輯電路14而提供，在其他配置中，目標電路外部的邏輯可產生此訊號C2。

在一範例中，目標電路12包含一積體電路記憶體。目標電路12可包含積體電路記憶體以外的多種電路。

在積體電路記憶體範例中，電流汲取13包含一記憶體陣列及周邊電路，用於記憶體陣列的操作期間。控制邏輯14可包含一狀態機或其他邏輯電路，用於改變記憶體的操作模式。舉例來說，記憶體可包含具錯誤校正的頁讀取模式。模式變化訊號C2的暫態可為指示頁讀取操作之起始的事件。訊號C1的暫態可為指示預測性暫態之時序的事件，於此預測性暫態中電流負荷在讀取操作期間係快速增加。舉例來說，在具錯誤校正的頁讀取操作期間，當錯誤更正操作在資料從記憶體陣列擷取而被啟動時，可預測的是電流負荷將快速增加。藉由範例，當錯誤校正電路進行處理從記憶體擷取的一頁資料，電流負荷的增加可以奈秒級(nanosecond scale)發生。對應之電流負荷的降低可發生在錯誤校正操作完成時。訊號C1的另一暫態可為指示預測性暫態之時序的事件，此預測性暫態中電流負荷在讀取操作期間係快速降低。

第2圖繪示為了說明第1圖之電路之操作的時序圖。第2圖為電流對時間的圖，顯示位在線段11上之電壓調節器所驅動的總電流，由目標電路中之電流負荷以及預測性負載電路15的電流負荷所共同組成。再者，於第2圖中，控制訊號C1及C2之暫態的時序係被繪示。

在此簡化範例中，控制訊號C2具有定義前負載期間17的暫態21及22、以及定義後負載期間19的暫態23及24。控制訊號C1具有暫態25及26，暫態25及26對應至於目標電路增加電流負荷的第一事件，且對應至於目標電路降低電流負荷的第二事件，其中此例中暫態25及26之間的時間定義一操作期間18。

在操作中，當電壓調節器提供調節電壓到耦接至目標電路的輸出端11上時，在此例中之起始於暫態21之前負載期間17內，電流性負載係由預測性負載電路15提供至輸出端，前負載期間17於此例中在增加目標電路之電流負荷之事件(於此例中為暫態25)之前，且在事件發生時(於此例中為暫態25)結束。在事件發生時，快速增加的電流負荷，係從電流負荷電路（亦即預測性負載電路15）轉換至目標電路，而電壓調節器之電流性負載的大小則不會大量且快速的改變。

如電流對時間之圖所示，預測性負載電路15所施加的電流性負載以線性斜線方式，從初始值(level)增加至結束值，結束值於此例係最大值。線性斜線可為單調遞增，且於某種意義上在前負載期間17具有相容於電壓調節器之暫態響應的斜率。施加在前負載期間17的電流負荷的大小的曲線形狀，除了線性斜線外可具有其他形狀。舉例來說，可使用階梯形狀、或凹凸(convex)斜線形狀，較佳地具有的變化率可相容與電壓調節器的暫態響應，以降低或避免調節電壓的突波或波動。

在前負載期間之終點之電流性負載的大小可匹配於在操作期間18的過程或在操作期間18的初始時，目標電路之操作模式的典型的或特定的電流負荷的大小。依此方式，電流負荷之改變所造成的暫態25的振幅變化可減少或消除。

在暫態25，對應至目標電路中之電流負荷的快速增加，前負載期間結束，預測性負載電路15所供應的電流被關閉或快速降低。依此方式，電壓調節器所遭遇的峰值負載不會實質上增加超過目標電路所需的峰值負載，而在模式變化發生時的電流負荷之大小的快速變化可被消除或降低。

再者，在操作中，在操作期間18電壓調節器提供調節電壓於輸出端11上。在操作期間18的終點，在後負載期間19，電流性負載係藉由預測性負載電路15提供至輸出端，後負載期間19起始於控制訊號中暫態23所表示的事件，在此例中，暫態23係同步於目標電路中電流負荷快速降低之時序圖中的暫態26所表示的事件。於此例中，後負載期間19於暫態24之後結束，具有與電壓調節器的暫態響應及電流負荷電路的操作相關的持續時間，以降低電流負荷至目標電路係閒置(idle)或消耗低電流位準的大小。

如電流對時間之圖所示，預測性負載電流15所施加的電流性負載以線性斜線的方式，從最大值，或從線性斜線的起始值，單調遞減至結束值，於此例中為最小值。線性斜線可具有負斜率，此負斜率相容(compatible)於電壓調節器的暫態響應，使得調節電壓在後負載期間19維持在實質上固定。在後負載期間，電流性負載的大小在起始點可匹配於在操作期間18的過程或在操作期間18的終點，目標電路的操作模式特定或典型的電流負荷的大小。以此方式，電流負荷轉變所造成之暫態26的振幅變化可被減少或消除。

在暫態26，對應於目標電路中之電流負荷的快速降低，後負載期間開始，且預測性負載電路15所提供的電流被開啟或快速增加。依此方式，電壓調節器所遭遇的峰值負載不會實質上增加超過目標電路所需的峰值負載，而在模式變化發生時的電流負荷之大小的快速變化可被消除或降低。

第3圖繪示依據本文所述之技藝之具有快速暫態響應之電壓調節器的實施例之電路圖。第3圖之電路包含LDO電壓調節器，電壓調節器包含運算放大器80，耦接至外部電源供應VDD_EXT；電晶體81，此於例中為n通道功率MOSFET，具有一汲極耦接至外部電源供應VDD_EXT，並具有一源極耦接至輸出端86。運算放大器80在線段84上供應閘電壓VG至電晶體81的閘極。回授電路係耦接於輸出端及運算放大器的「-」輸入端之間。電壓參考在線段79上供應VREF至運算放大器的「+」輸入端。電壓參考可為帶隙參考(Bandgap reference)。

此範例中的回授電路包含電阻82及83及連接器85。電阻82及83串聯於輸出端86及接地端之間，連接器85連接電阻82及83之間的節點(回授電壓VFB產生之處)至「-」輸入端。電阻82及83具有數值R1及R2，數值R1及R2可被設定以決定在輸出端86上所產生之內部供應電壓VDD_INT的位準。

電晶體81具有一閘電容，在第3圖中由電容器符號CC所表示。在此電路中，電容CC可不包含獨立電容。在一些實施例中，閘電容可以很大，導致回授路徑有更長的時間常數，且在輸出端有較慢的暫態響應。

輸出端86供應電源供應電壓VDD_INT，且係連接至目標電路，目標電路可包含系統電路87a，系統電路87a用於由VDD_INT所供電的積體電路。預測性控制87b也可為目標電路的一部分，由VDD_INT所供電。在其他實施例中，預測控制87b可由外部電源供應VDD_EXT所供電，或以其他方式供電。

於此例中，預測性控制87b於線段88上產生控制訊號EN0至EN5，控制訊號EN0至EN5用來控制電流負荷電路。此些電流負荷電路包含多個負載元件(此例中為六個)及一電路元件。負載元件各具有一開關(電晶體93、94、…、95)，電晶體93、94、…、95由控制訊號EN0至EN5中之對應的一者所控制。於此例中，電路元件包含被動電阻90、91、…、92。此例中之負載元件為電阻性電路，具有低電容值。於所示之實施例中，負載元件係串聯連接於接地端及輸出端86之間，且可被用於依據控制訊號EN0至EN5所決定的樣式(pattern)，選擇性地於輸出端86增加電流性負載。於此實施例中，電阻90、91、…、92可全部具有相同的電阻值，使得負載元件提供相同的電流負荷，或者，電阻90、91、…、92可有不同尺寸，以對電流負荷進行更精密或更複雜的控制。在其他實施例中，負載元件的負載可包含被動電阻90、91、…、92以外的其他形式的元件，例如MOS電晶體或其他電路元件或電路，例如電流鏡電路，電流鏡電路可作為加載至電壓調節器的輸出之電流汲取。

第3圖之電路的操作係參照第4圖所示之時序圖而被說明。第4圖的時序圖包含在下半部的圖示中之邏輯訊號C1(未繪示在第3圖)及控制訊號EN0至EN5的時序，輸出端86的相對於時間的總電流係在上半部的圖示中。

在此例中，控制訊號C1對應至用於系統電路87a的模式控制訊號，定義在第一時間的一事件，第一時間對應系統電路汲取之電流負荷在初始快速增加時的第一暫態，第二時間點係對應至電流負荷快速降低的第二暫態。第一時間及第二時間之間的期間係第4圖中的操作期間98。

控制訊號EN0至EN5係耦接至如第3圖所示之電流性負載元件中的開關。預測性控制87b中的邏輯係耦接至多個負載元件的開關，並在前負載期間及後負載期間以一樣式開啟及關閉此些開關，此樣式用於以平衡目標電路的暫態的方式產生電流負荷，並避免或消除包含過衝或欠衝的突波及波動，從而穩定節點86上的電壓調節器的輸出。

在第3圖之範例中，各電流性負載元件在連接至輸出端86時供應等量的電流負荷。因此，控制訊號EN0至EN5可如第4圖所示被依序被導通，使得在輸出端上86依序產生相等步階的電流振幅。在此例中，當系統電路係在閒置模式或在標準操作模式時，10mA的背景電流負荷係在輸出端86被汲取。模式變化發生時，電流性負載可非常快速地增加至例如80mA(第4圖係以每100nsec增加或減少約10mA為例做說明)。因此，藉由供應一序列步階之電流負荷增量，此暫態可被降低或消除。於此範例中，從10mA開始，六個步階之約 11.5mA的電流負荷導致預測性負載電路所傳送70mA的最大電流負荷，此電流負荷結合目標電路的閒置電流，產生總合80mA在前負載期間的終點時，且在目標電路的暫態之前被汲取。

如第4圖所示，當系統電路的電流負荷快速增加時，控制訊號EN0至EN5在C1之於第一暫態之事件發生時可以同步方式被關閉，在此例中事件發生時的增量係為從10mA至80mA。如此，在控制訊號C1中的第一暫態所指示之事件發生時，線段101所指示之從電流負荷電路之電流負荷轉變至系統電路的電流負荷。

在C1的第二暫態，當系統電路的電流負荷快速降低時，控制訊號EN0至EN5可以同步的方式被導通。如此，70mA的電流負荷係增加至輸出端86，當結合系統電路的10mA的背景電流負荷時，得到總合80mA的電流負荷。因此，回應於此事件之目標電路之電流負荷的增加具有的振幅約等於在前負載期間97中電流負荷電路所提供之最大電流性負載。如此，轉換101不會對電壓調節器造成大量的負載波動，並幫助穩定輸出端86的電壓。

如此，當控制訊號C1之第二暫態所表示之事件發生之時，由線段102所表示之電流負荷從系統電路轉換至電流負荷電路。因此，回應於此事件，目標電路中的電流負荷的降低的量約等於在後負載期間99電流負荷電路所提供之最大電流性負載。如此，轉換102不會對電壓調節器造成大量負載波動，並幫助穩定輸出端86的電壓。

在第2圖及第4圖所示之實施例中，電流負荷電路在前負載期間所提供的電流負荷的大小，係從起始負載單調遞增至最大負載。相仿地，電流負荷電路在後負載期間所提供的電流負荷的大小，係從最大負載單調遞降至終點負載，終點負載可為電流負荷電路提供之最小電流負荷或零電流負荷。

一般而言，第3圖所示之電路為一個範例，此範例包含LDO電壓調節器以在輸出端提供調節電壓。電流負荷電路係連接至LDO電壓調節器的輸出端。邏輯係提供以使得電流負荷電路在前負載期間提供第一電流性負載至輸出端，前負載期間起始於目標電路之電流負荷增加的第一事件之前，並在第一事件發生時結束或與第一事件同步結束。再者，此邏輯使得電流負荷電路在後負載期間提供第二電流性負載至輸出端，後負載期間起始於第二事件發生之時或同步於第二事件發生，第二事件為目標電路之電流負荷降低。此邏輯被配置以在前負載期間依據第一樣式增加電流負荷電路所提供之電流負荷，使得事件發生時輸出端之電流負荷之快速暫態(亦即，由調節電壓供電之電路之電流負荷的和)、以及從電流負荷電路至目標電路的轉換，係小於第一事件發生時目標電路之電流負荷的增加量，且較佳地係接近於零。再者，此邏輯被配置以在後負載期間依據第二樣式降低電流負荷電路所提供之電流負荷，使得第二事件發生時輸出端電流負荷之快速暫態(亦即，由調節電壓供電之電路的電流負荷的和)，係小於第二事件發生時目標電路之電流負荷的降低量，且較佳地係接近於零。

在較佳實施例中，電路係設計為設定轉換101及102的規格，其中預測性電流負荷電路產生之電流負荷及目標電路之操作期間產生的電流負荷之差異係零或接近零。

為了說明之目的，當提供對應至電壓調節器的暫態響應的一時間刻度(timescale)時，電流負荷係「在事件發生時」提供，使得作為目標電路之負載電流的變化之結果的調節電壓的浮動係被降低或消除。為了說明之目的，當事件之時序係與所述其他事件相關時，例如在被共同邏輯訊號或時脈訊號之暫態所控制之時，事件係同步於另一事件。

技藝係說明為產生調節電壓以用於具快速電流負荷變化之電路，此技藝包含預測性電路以重新塑形來自調節器的總輸出電流汲取，使得調節電壓將具有更穩定的數值。

多個實施例係藉由目標電路基於方波形式之電流負荷而被說明。此技藝可被提供至更複雜的系統，其中電流負荷的暫態係被預測，而藉由前負載、後負載、或兩者而被平衡。

第3圖的實施例使用具n通道功率電晶體81的LDO。在替代實施例中，具p通道功率電晶體的LDO可被使用。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電壓調節器

11‧‧‧輸出端

12‧‧‧目標電路

13‧‧‧電流汲取

14‧‧‧控制邏輯

15‧‧‧預測性負載電路

17、97‧‧‧前負載期間

18、98‧‧‧操作期間

19、99‧‧‧後負載期間

20‧‧‧電路

21、22、23、24、25、26‧‧‧暫態

79、84、88、102‧‧‧線段

80‧‧‧運算放大器

81‧‧‧閘極

82、83‧‧‧電阻

85‧‧‧連接器

86‧‧‧輸出端

87a‧‧‧系統電路

87b‧‧‧預測控制

90、91、92‧‧‧電阻

93、94、95‧‧‧電晶體

101‧‧‧轉換

第1圖繪示包含具預測負載之電壓調節器的快速暫態響應的裝置之簡易方塊圖。第2圖繪示為了說明如同第1圖之裝置之操作方法的時序圖。第3圖繪示包含快速暫態響應LDO電調調節器及電流負荷電路之裝置的電路圖。第4圖繪示為了說明如同第3圖之電路之操作的時序圖。

Claims

一種用以供應一調節電壓至一目標電路之電路，該目標電路特徵在於快速變化之電流負荷，該電路包含：一電壓調節器，用以供應該調節電壓至一輸出端；一電流負荷電路，連接至該電壓調節器之該輸出端；以及一邏輯，用以使得該電流負荷電路在一前負載(pre-loading)期間施加一電流性負載至該輸出端，該前負載期間起始於該目標電路增加電流負荷之一事件之前，在該事件之發生時結束。
如申請專利範圍第1項所述之電路，其中反應該事件，該電流負荷的增加量約等於該電流負荷電路在該前負載期間所施加之一最大電流性負載。
如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該電流負荷電路在該前負載期間單調遞增所提供的該電流性負載。
如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該電流負荷電路包含複數個負載元件，各具有一開關，且該邏輯係耦接至該複數個負載元件的該些開關，且在該前負載期間以一樣式開啟或關閉該些開關。
如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該邏輯更用以使得該電流負荷電路在一後負載(post-loading)期間施加一電流性負載至該輸出端，該後負載期間起始於降低該目標電路之電流負荷之一事件發生時。
如申請專利範圍第5項所述之電路，其中在該事件發生時，該目標電路之電流負荷的降低量具有一大小約等於該電流負荷電路在該後負載期間所施加之一最大電流性負載。
如申請專利範圍第6項所述之電路，其中該電流負荷電路在該後負載期間單調遞減所提供的該電流性負載。
如申請專利範圍第6項所述之電路，其中該電流負荷電路包含複數個負載元件，各具有一開關，且該邏輯係耦接至該複數個負載元件的該些開關，且在該前負載期間及該後負載期間以一樣式開啟或關閉該些開關。
如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電壓調節器包含低壓降(low drop out, LDO)調整器。
如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電壓調節器包含：一電晶體，該電晶體具有一閘極、連接至一電源供應端之一第一端、及連接至該輸出端之一第二端；一放大器，具有一輸出端連接至該電晶體的該閘極；及一回授電路介於該輸出端及該放大器之一輸入端之間。
一種供應一調節電壓至一目標電路之電路，該目標電路特徵在於快速變化之電流負荷，該電路包含：一LDO電壓調節器，用以供應該調節電壓至一輸出端；一電流負荷電路，連接至該LDO電壓調節器之該輸出端；以及一邏輯，用以使得該電流負荷電路在一前負載期間施加一第一電流性負載至該輸出端，該前負載期間起始於增加該目標電路之電流負荷之一第一事件之前，且同步於該第一事件而結束，該邏輯更用以使得該電流負荷電路在一後負載期間施加一第二電流性負載至該輸出端，該後負載期間起始同步於降低該目標電路之電流負荷之一第二事件，其中：該邏輯更被配置以在該前負載期間依照一第一樣式，增加該電流負荷電路所施加的電流負荷，使得在該第一事件發生時該輸出端的電流負荷轉變係小於在該第一事件發生時該目標電路之電流負荷的增加量，該邏輯更被配置以在該後負載期間依照一第二樣式，降低該電流負荷電路所施加的電流負荷，使得在該第二事件發生時該輸出端的電流負荷之轉變係小於在該第二事件發生時該目標電路之電流負荷的降低量。
如申請專利範圍第11項所述之電路，其中該電流負荷電路包含複數個負載元件，各具有一開關，且該邏輯係耦接至該複數個負載元件的該些開關，且在該前負載期間及該後負載期間分別以該第一樣式及該第二樣式開啟或關閉該些開關。
一種用以供應一調整節電壓至一目標電路之方法，該目標電路特徵在於快速變化之電流負荷，該方法包含：供應該調節電壓至耦接至該目標電路之一輸出端；在一前負載期間施加一電流性負載至該輸出端，該前負載期間起始於增加電流負荷之一事件之前，並在該事件之發生時結束。
如申請專利範圍第13項所述之方法，包含在一後負載期間施加一電流性負載至該輸出端，該後負載期間起始於降低該目標電路之電流負荷之一事件發生時。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中供應該調節電壓包含使用一LDO調節器。